朱诺将入轨木星:飞行5年之久的朱诺探测器到底是啥?

美国航空航天局(NASA)的“朱诺”(Juno)木星探测器即将结束其为期5年的漫漫太空飞行,北京时间7月5日上午11时18分将执行木星轨道切入(JOI)动作,从而进入这颗太阳系最大行星的轨道,成为其人造卫星。

“朱诺”探测器于2011年发射升空,2016年7月5日抵达木星。在发射升空之后,朱诺探测器先后两次使用其主引擎,分别在2011年8月30日和2012年9月3日两次启动主引擎进行了轨道修正。

朱诺承担着重要的科学观测任务,为达成相关目标,飞船采取木星极轨道,飞行高度很低,它需要飞的非常低,以便获取精确的引力场测量数据。这样的轨道设计可以避免进入危险性最高的辐射区域,从而最大限度保护飞船的安全。

木星的辐射带分布有点类似地球上空的范艾伦辐射带,但其强度要强得多。

朱诺探测器在围绕木星运行过程中,最近时距离木星云层顶部仅有不到5000公里,每11天围绕木星运行一周,考察任务预计将在2018年2月20日结束,届时飞船将主动受控坠入木星大气层焚毁。

一、关于朱诺任务的基本情况

(一)命名:

本次任务被命名为“朱诺”(JUNO)这是以罗马神话中万神之王“朱庇特”(Jupiter)的妻子,女神“朱诺”的名字命名的。女神朱诺拥有穿透云雾,洞察真相的力量,非常适合用于本次探测任务的命名。

科学家们希望这艘飞船也将能够看穿木星厚厚的大气和云层,洞察其内部结构。

(二)飞船基本参数

飞船本体:高3.5米,直径3.5米(太阳能帆板收起)

太阳能帆板:单块太阳能帆板尺寸:9米X2.65米,总受光面积超过60平米,其中一共包含18698块太阳能晶片单体;总发电量:地球轨道附近约14千瓦,木星轨道附近约400瓦;

质量:发射质量为3625公斤,其中包括飞船本身质量1593公斤,1280公斤的燃料以及752公斤的氧化剂。

(三)发射火箭

宇宙神V551型火箭,即火箭一级采用一枚宇宙神火箭芯级,捆绑5枚固体助推火箭,再配置半人马座上面级构成,搭载载荷之后的总高度大约60米,加注燃料后总重量约574吨。

(四)项目期间的一些里程碑标志

1)时间:2011年8月5日

事件:朱诺发射升空

发射地点:美国佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地SLC-41发射台;发射时地球-木星距离:7.16亿公里,信号以光速传播单程需要39分50秒;

2)时间:2013年10月9日

事件:地球引力弹弓

从地球发射到地球飞掠,探测器飞行距离:16亿公里,地球飞掠时距离地面最近500公里;

3)时间:2016年7月5日

事件:进入木星轨道

入轨时地球-木星之间距离约8.69亿公里,信号以光速传播单程需要48分19秒;

从发射到进入木星轨道,探测器飞行距离:28亿公里;

4)时间:2018年2月

事件:任务结束

(五)项目投资

朱诺项目总投资大约11亿美元,包括探测器研发、科学载荷、发射服务、运行经费、科学数据处理与测控支持等相关服务费用。

二、探测器基本情况

朱诺是一艘采用自旋稳定的太阳能飞船,设计采用大椭圆极轨道方案以避开木星强大的辐射带。整个项目的设计思路是全部采用成熟技术,项目全部采用现成的科学设备,不需要新研发新技术。

1)为什么采用自旋稳定设计?

对于朱诺而言,和美国宇航局早期的“先驱者”飞船一样,自旋将增强飞船指向的稳定性并方便地面控制。在发射后一直到太阳能帆板展开之前的这一段时间内,朱诺飞船的自转将由仍然与飞船连接在一起的火箭上面级完成。

整个项目期间朱诺的自转速度也是有变化的:在巡航阶段自转速率是每分钟1圈,科学考察阶段是每分钟2圈,主引擎工作调姿阶段会临时性改为每分钟5圈。

为了简化设计并减少质量,朱诺搭载的所有设备都是固定安装的。当围绕木星运行时,随着飞船自转,所有设备在一圈的时间内会将木星在其观测视野中扫过一次。

当飞船处于每分钟2圈的工作状态时,在朱诺飞船从木星一个极地上空飞到另一端的极地上空的两个小时时间内,相关科学设备将扫过木星400次。

2)推进系统

为了控制重量并增加冗余设计,朱诺飞船采用双模式推进系统,包括一台使用两种推进剂的主引擎以及多台使用单一推进剂的调姿发动机。

朱诺飞船上安装的一台Leros-1b主发动机是一台645牛顿双推进剂引擎,使用联氨-四氧化二氮推进剂。其发动机喷口被固定在探测器后部,主要作用是较大的轨道调整和减速制动等。

除了主发动机之外,探测器上还安装了12台推力较小的调姿发动机,它们的存在让飞船在三维空间进行姿态调整成为可能,同时它们也会被用于进行较小的轨道调整。

3)命令与数据处理

朱诺探测器的命令与数据处理系统采用一台RAD750型飞行处理器,自带256M闪存及128MDRAM本地存储。

4)电子保护舱

为了保护敏感的电子设备,朱诺飞船首次采用了辐射防护电子舱,这一设计未来对于同样前往高强度辐射环境执行任务的探测项目具有参考价值。这个采用钛金属制成的防辐射电子舱大小和一辆SUV型轿车后部的行李箱相当,其防护层厚度超过1厘米。

飞船的指令与数据系统(相当于探测器的大脑)、电力与数据分发系统(相当于心脏)以及大约20套其他电子设备就被安装在其中,整个电子舱的重量超过200公斤。

5)太阳能发电

木星距离太阳比地球远5倍,因此在木星附近接收到的太阳能功率大约仅有地球附近的1/25。朱诺将是首个在如此遥远的距离上使用太阳能为动力的飞船,因此朱诺飞船的太阳能帆板面积必须尽可能的大,以便产生足够多的电力。

朱诺之所以敢于采用这样大胆的方案,得益于在过去20年间太阳能晶片在发电效率上超过50%的提升。另外,根据设计,朱诺飞船的能耗功率本身也是非常低的,这是一艘能源效率很高的飞船。

朱诺飞船的3根太阳能帆板从其六边形的本体伸出,使展开太阳能帆板后的飞船宽度超过20米。这些太阳能帆板在太空展开后,一直到任务结束,除了在飞掠地球期间的数分钟时间内,都将一直保持正对太阳的方向。

当然,和其他飞船一样,为了能够放进火箭整流罩内,在发射时,太阳能帆板都是处于折叠状态的。

三、朱诺飞船的科学载荷

朱诺飞船携带的载荷中包括29台感受器,它们将数据传输给9台载荷。其中的8台科学载荷——包括MAG,MWRz,重力科学,WAVES,JEDI,JADE,UVS以及JIRAM设备被归为科学载荷;最后一个JunoCam相机则主要是一台用于教育和公众宣传目的的载荷。

由于朱诺采用的是大椭圆轨道,在其运行时有时候会距离木星很远,有时候则会很近,因此绝大部分的科学探测任务将在轨道上最接近木星的大约3个小时内进行,当然在轨道上其他位置时也会进行校准、一些远距离观测以及磁场探测等科学探测工作。

1)Gravity Science——重力科学载荷

重力科学载荷将赋予朱诺探测器对木星引力场的探测能力,据此我们将探查木星的内部结构。

朱诺探测器上安装的两台发射机应答器分别在X波段和Ka波段工作,它们能够接收来自地球上美国宇航局深空网(DSN)系统向飞船发送的信号并立即向地球返回一个对应信号。

这些回传信号在抵达地球时,地面科学家们将对信号频率进行分析,由于木星引力场的局部性差异,这些信号将显示轻微的频率变化,这种变化反应了木星内部结构的差异。

Ka波段应答器设备由意大利航天局提供。

2)Magnetometer:磁强计

磁强计将让朱诺飞船能够绘制木星磁场的详细三维立体结构图。

朱诺飞船搭载的磁强计是一类磁通门探测器,其可以对木星磁场的强度和磁感线方向进行探测。该系统中自带的“先进恒星导航仪”将为系统提供磁强计自身方位朝向的信息。

和其他探测器一样,朱诺飞船的磁强计设备被安装在三根伸出的太阳能帆板中的一根的顶部,以便尽可能地远离飞船本体。这样做主要是为了避免飞船自身其他设备工作时产生的磁场干扰磁强计对木星磁场信号的测量。

另外,为了进一步修正飞船自身设备对木星磁场信号测量可能产生的干扰,朱诺安装了两台磁强计,一台距离飞船本体大约10米,另一台则距离大约12米,通过对这两台设备获得数据的对比,科学家们能够准确剔除掉来自飞船设备的干扰信号。

朱诺的磁强计设备由美国宇航局戈达德空间飞行中心设计和制造,而“先进恒星导航仪”设备则由丹麦技术大学设计和制造。

3)MWR——微波辐射计

朱诺的微波辐射计设备将穿透木星的云层,揭示其深部大气的结构,成分和运动情况。其最大穿透深度可以达到相当于地球上1000倍大气压强深处,大约相当于木星云层顶向下深入550公里。

微波辐射计系统包括6台独立的辐射计,用于测量来自6层不同云层的微波信号。每个辐射计都拥有一根从飞船本体的六边形舱体向外伸出的天线。每根这样的天线都与一根数据线相连接,最后接入电子舱内部的接收器。

该设备由美国宇航局喷气推进实验室(JPL)设计并制造。

4)JEDI——木星高能粒子探测器

木星高能粒子探测器对空间中的高能粒子进行探测并观察它们与木星磁场之间的相互租用。

JEDI设备包括3台相同的感受器,每台都拥有6个离子和6个电子观测通道。这台设备将与微波辐射计以及JADE(木星极光分布实验)设备联合工作,对木星极区上空的情况进行探测,尤其关注木星强烈而明显的南北极光。

这台设备由美国约翰·霍普金斯大学应用物理实验室(APL)设计并制造。

5)JADE——木星极光分布实验

“木星极光分布实验”设备将与朱诺搭载的部分其他设备合作,研究造成木星极光产生的粒子运动和机制过程。

“木星极光分布实验”设备包括一台电子舱并附带4台感受器,其中的3台用于探测飞船周围环境中的电子,第四台主要用于识别带正电的氢、氦、氧和硫等元素的离子。

当探测器从木星极光上空飞过时,这些设备将能够识别冲入木星极区上空大气的粒子类型有哪些。

这台设备由美国宇航局西南研究所设计并制造。

6)WAVES——等离子体电波设备

等离子体电波设备将测量木星磁层内部的无线电波与等离子体波信号,这将帮助我们理解木星磁场(magnetic field)、大气层(atmosphere)和磁层(magnetosphere)之间的相互关联。

等离子体电波设备包含一个V型天线,高度约4米。这台设备由美国艾奥瓦大学研制并制造。

7)JIRAM——木星红外极光绘图仪

木星红外极光绘图仪将对木星极光周围的大气进行观察,帮助科学家理解磁场与极光之间的关联。这台设备将能够探测木星云层下方大约50~70公里深度的情况,那里的大气压力大约是地球上海平面高度气压的5~7倍。

木星红外极光绘图仪包括一台相机以及一台光谱仪,后者能够将光线分解为各单一组成波段,类似三棱镜。而相机将获取红外波段影像,这是热辐射波段,波长范围大概是在2~5微米左右,这一波长要比肉眼可见的波段长3~7倍。

木星红外极光绘图仪由意大利国家天体物理学研究所研制并制造,并得到意大利空间局的资助。

8)UVS——紫外成像光谱仪

紫外成像光谱仪将拍摄木星极光的紫外波段图像。与JADE以及JEDI设备共同协作,它们将能够帮助科学家们理解木星极光,粒子流和磁场之间的相互作用。

紫外成像光谱仪包括两个独立的部分:一台安装在防辐射电子舱上的专用望远镜/光谱仪。其中的望远镜主要用于为光谱仪采集光线。而另一部分则是该设备的电子设备部分,其位于飞船的电子设备舱内部。

紫外成像光谱仪由美国宇航局西南研究所研制并制造。

9)JunoCam——朱诺相机

朱诺相机将拍摄可见光波段木星的彩色图像。

朱诺相机将有能力获取木星大气和极区上空的广角图像。这一设备从设计之初就被定位为用于公众科普用途的全彩色相机。公众将有机会亲身参与从原始数据生成图像产品的过程并帮助挑选该相机拍摄的目标。

朱诺相机的硬件设备是基于美国好奇号火星车的下降相机而设计的。而其使用的部分软件则源自最初为火星奥德赛以及火星勘测轨道器(MRO)设计的程序代码。

该设备由美国马林空间科学系统公司提供。

四、木星基本情况

“如果你将太阳系中的一切全都放一起(不算太阳),它们全都可以被塞进木星内部。”这句话最好地体现了木星最显著的特点,那就是大。木星是太阳系中质量最大的天体(太阳不算),它被以罗马神话中万神之王“朱庇特”的名字命名。

早在17世纪,意大利天文学家伽利略就通过早期的望远镜观察到木星拥有4颗较大的卫星,这四颗木星卫星现在被统一称作“伽利略卫星”。除了这4颗大卫星之外,木星还拥有许多超过60颗较小的卫星,就像一个小型的微缩太阳系。

从成分上看,木星更像一颗恒星,事实也的确如此,如果木星质量再增加大约80倍,它就能变成一颗真正的恒星。

观察木星,最引人注意的是它色彩的丰富和细节多样的大气结构。我们看到的大部分木星云层,其成分主要是氨,水冰构成的云层在更深的位置上,偶尔可以在一些大气空洞处被观察到。

木星上非常明显的“云带”是由高空大气中强烈的东西方向强风所形成的。在这样的横向云带中间则存在着一些风暴系统,很多都可以持续存在很多年,其中最有名的是大红斑,这个巨大的风暴系统已经持续稳定存在超过300年以上。

就在前几年,木星上又出现了一个小红斑,其大小大约是大红斑的一半左右。

木星的成分与太阳相近,主要是氢和氦。随着深入木星大气的深度增加,大气压强持续增强,温度也逐渐升高,在一定的深度上氢会被压缩成为一种近似液体的物质。

在大约相当于木星1/3半径深度上,这里的氢物质已经在极端高温高压环境下具备了液体性质,可以导电,被称作“金属氢”。科学家们认为,正是在这一层具有导电性能的金属氢层发生的流动翻滚运动产生了木星强大的磁场。

在木星内核区域,极端的压强环境下可能存在一个由更重的金属组成的内核,其直径可能超过整个地球。

木星拥有太阳系各大行星中最强大的磁场,其强度比地球磁场强2万倍以上。在木星附近强大磁场作用下,大量带电粒子被困在其中,形成剧烈的辐射带,其中主要是大量的电子和各类离子。

这些强大的粒子流持续轰击着木星的卫星和光环。木星磁层在朝向太阳的方向延伸100万~300万公里,而在背离太阳的方向延伸则超过10亿公里。

在1610年1月7日,意大利科学家伽利略利用一台今天看来相当原始的望远镜看到了木星的4颗卫星:木卫一(Io)、木卫二(Europe)、木卫三(Ganymede)、木卫四(Callisto)。

今天,这四颗卫星被称作伽利略卫星。根据最新数据,不包括那些“临时”卫星,木星一共拥有“正式”卫星64颗,位居太阳系各大行星之首。

所谓“临时”的卫星主要是指那些由于接近木星而被木星强大引力场临时捕获的小行星或者彗星,它们往往会围绕木星运行几天,几个月甚至几年,随后再离开,继续它们原先的飞行旅程,或者坠入木星大气层被焚毁。

木星赤道上空有3道细细的光环,它们的亮度远远不如土星光环。木星光环的主要成分是非常细小的尘埃颗粒,这些细碎颗粒的来源则可能是小行星与木星卫星之间的碰撞。

木星光环最早是在1971年由地面望远镜和美国宇航局旅行者1号飞船各自独立发现的。

木星探测大事记:

1610年:伽利略进行了首次详细的木星观测;

1973年:美国宇航局的先驱者-10号飞船成为首个穿越小行星带的人类航天器,并飞掠木星;

1979年:美国宇航局的旅行者1号和2号飞船发现了木星暗弱的光环,几颗新的卫星,并发现在木卫一表面存在活火山爆发;

1994年:世界各地的天文学家和美国宇航局的伽利略探测器对“舒梅克-列维9号”彗星撞击木星南半球的全过程,这是人类首次全程目睹一次天体碰撞;

1995年:美国宇航局的伽利略号飞船携带探测器抵达木星,开展首次木星大气直接探测并对整个木星系统进行了详细考察;

五、朱诺项目的科学目标概述

木星是目前已知太阳系最大的行星,数百年来人们一直在尝试对这颗星球进行研究,但关于这颗气态巨行星,我们仍然有很多基本的问题有待解答。

在1995年,美国宇航局的伽利略号探测器抵达木星,其中的一项任务便是向木星大气中投放一颗小型探测器。

其传回的数据显示,木星云层与大气的构成与科学家们此前所想的有所区别,这表明我们相关的理论模型中可能存在某些偏差。今天,这颗巨大星球厚厚的云层和剧烈的风暴下方,依旧隐藏着许许多多有关这颗巨大行星的身世,以及整个太阳系形成历史的未解之谜,以下我们仅列举其中一小部分我们尚未完全理解的基本问题:

1)木星是如何形成的?

2)木星大气中含有多少水和氧气?

3)木星的内部结构究竟如何?

4)木星的自转更加符合刚体转动,还是在内部不同深度上存在不同速度的自转?

5)木星拥有固态内核吗?如果有,这个内核有多大?

6)木星强大的磁场是如何形成的?

7)木星云层顶部所见的很多大气结构向下延伸多多深,它与木星大气深部运动之间有何关联?

8)木星极光产生的机制是什么?

.............。.

此番,朱诺探测器的主要使命是考察木星的形成和演化过程。使用经过检验的成熟技术,朱诺装备一系列先进设备,并在一个极轨轨道上运行,对木星的引力场、磁场大气结构和成分进行探测,并观察木星内部结构、大气与磁场各方之间的相互关联。

通过这些研究,科学家们将加深我们对于木星形成与演化的理解,并基于此,加深我们对于整个太阳系诞生过程和机制的了解。

来源:www.cnbeta.com

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